该记录涵盖了胚胎发育的前13.5天，为复杂哺乳动物身体如何成形提供了异常详细的视角。（小鼠的完整妊娠期为19至21天。）
这项研究结果于2026年10月8日发表在《科学》（Science）杂志上，可能有助于科学家更好地理解正常发育过程以及该过程出错时会发生什么。
“我们有兴趣追踪胚胎中细胞的早期谱系如何影响它们后来的命运。探索细胞谱系有助于解码正常发育过程。此类研究最终将增进我们对先天性畸形、神经发育疾病、遗传性疾病或癌症的认识，”西雅图华盛顿大学医学院基因组科学教授兼霍华德·休斯医学研究所研究员Jay Shendure博士说。
Shendure与新罕布什尔州达特茅斯学院的分子与系统生物学家Chengxiang Qiu博士共同领导了这项研究。两人均为该研究的资深作者。
DNA打字机记录活细胞的历史
这一成果得益于一种名为DNA打字机（DNA Typewriter）的技术，该技术由Shendure和Junhong Choi开发，Junhong Choi目前在斯隆-凯特林癌症中心工作。
该系统不仅是在细胞分裂时进行简单观察，还允许科学家将细胞的历史记录直接保存在其DNA中。
为了实现这一点，研究人员将一段重新设计的记录序列（他们称之为“磁带”）插入到受精小鼠卵细胞的基因组中。更新后的设计使得恢复存储在单个细胞中的信息变得更加容易。
随着胚胎的发育，DNA打字机始终嵌入在其细胞的遗传物质中，记录它们的分裂过程，以便日后用于重建它们的谱系。其结果就像一本生物日志，记录了产生不同细胞群体的事件顺序。
“把它想象成一台真正的打字机，只不过它是在细胞自身的DNA上而不是在纸上打字，”该研究的共同第一作者、华盛顿大学医学院基因组科学博士后科学家、西雅图合成生物学中心以及霍华德·休斯医学研究所的Haedong Kim解释道。“每次细胞分裂时，它都会在下一个空白行敲击一个新字符——始终按顺序进行，从不覆盖已有的内容。由于字符总是按顺序填入，该序列本身就说明了细胞的分裂历史。”
由于这些标记会传递给子细胞，研究人员可以检查记录的序列，并识别哪些细胞源自同一个祖先。携带匹配记录部分的细胞可以被关联在一起，使科学家能够重建胚胎家族树的分支。
“写入记录只是问题的一半。你还必须从每个细胞中将其读取出来，因此我们重新设计了‘磁带’以使其更容易，”Kim说。
克服发育生物学中的一项重大挑战
重建发育中哺乳动物的完整历史长期以来一直是一项艰巨的挑战。随着胚胎的生长，其细胞反复分裂并开始承担特定的功能。随着细胞数量和种类的增加，追踪这些关系变得越来越困难。
几十年前，科学家在一种微小的线虫身上完成了类似的壮举，但这种动物的身体结构相对简单，细胞数量也少得多。它的透明性也使其发育过程更容易被研究。
哺乳动物则要复杂得多。早期的技术为小鼠胚胎发育提供了重要的见解，但它们通常只能捕获更大细胞家族树的一部分。
一些传统的记录技术也有显著的局限性。它们通过切割DNA来创建识别标记，这可能会损坏细胞并抹除早期分裂留下的信息。它们的记录容量有限，而且由于标记不一定按固定顺序创建，科学家必须尝试在事后重建事件的顺序。
“DNA打字机避免了所有这些问题，”Kim说。“它在写入时不会完全切断DNA，保持相对稳定的记录，并且严格按照顺序写入所有内容，因此我们能够以更高的分辨率、在更长的时间内记录细胞谱系。”
将胚胎追溯至最初的两个细胞
研究人员首先尝试在100个受精小鼠卵细胞中记录发育过程。其中，最终有10个胚胎可用于检查。
一个被标记为3号胚胎的样本脱颖而出，因为其DNA记录系统运作得特别好，并保留了最广泛的发育历史。因此，科学家将详细分析集中在这个胚胎上。
最重要的发现之一来自于发育最开始时，即受精卵第一次分裂后立即进行的记录。
“我们的记录捕捉到了一个JianCe、永久的标记，区分了最初始的两个细胞，这让我们能够将我们从胚胎中分析过的几乎所有细胞追溯到这两个细胞中的一个，”Kim说。“这两个起始细胞中的一个确实比另一个产生了更多的子代细胞，但它们产生不同细胞类型的比例几乎相等。”
这意味着，尽管其中一个原始细胞总体上贡献了更多的子代细胞，但这两个起始细胞都产生了极其相似的特定细胞类型组合。
这一发现表明，科学家现在能够以前所未有的细节水平来研究发育的最早期阶段。
科学家发现细胞何时选择其角色
DNA记录还揭示了关于细胞何时开始定型为其在体内最终角色的重要信息。
早期胚胎细胞可以产生许多不同类型的组织。随着发育的推进，它们的后代逐渐变得更加特化，最终形成神经系统、皮肤、血液和眼睛等结构。
通过重建胚胎细胞家族树的分支，研究人员能够确定不同细胞群何时开始遵循不同的发育路径。
他们的观察结果与过去几十年研究得出的结论一致，但这种新方法使他们能够在一只发育中的小鼠体内检查这些模式。
“血细胞和视网膜的定型相对较早，而皮肤外层直到明显更晚的时候才定型，”研究人员解释道。“细胞命运并没有一次性全部锁定。不同细胞类型按照各自独立的时间表确定了它们的身份，有的早有的晚。”
这些发现表明，从灵活的、未特化的细胞转变为具有特定生物学功能的细胞，并非在整个胚胎中同时发生。
相反，不同的组织遵循各自的发育时间线。一些细胞很早就开始缩小其可能的未来发展方向，而另一些细胞则在更长的时期内保持灵活性，随后才定型为特定角色。
这对出生缺陷、癌症和干细胞疗法可能意味着什么
准确理解细胞如何获得其身份，最终可能对医学产生重要影响。
许多发育障碍是在细胞特化或组织形成的正常过程被破坏时出现的。癌症也涉及异常的细胞行为，包括通常调节细胞生长和分裂的机制失效。
通过追踪细胞谱系并识别不同发育路径出现的时间，科学家可能会对这些问题的起源有更JianCe的认识。
“这种大规模的发育记录为科学家提供了一幅关于一个细胞如何变成一个完整身体的图谱——这有助于解释器官是如何正确形成的，该过程在出生缺陷中是如何出错的，以及异常的细胞生长是如何驱动癌症的。随着干细胞工程的进步，这种记录还可以帮助指导我们如何为治疗用途设计细胞。”
尽管这项工作是在小鼠胚胎中进行的，且尚未代表直接的医学治疗，但它展示了一种研究塑造发育中生物体的生物学决策的强大方法。
该方法还可以支持未来的干细胞研究，特别是在引导细胞向特定身份分化以用于再生医学和其他治疗应用方面。
研究团队与资金支持
其他共同第一作者包括Qi Yu和Sophie Seidel，两人均隶属于华盛顿大学医学院基因组科学系和西雅图合成生物学中心。
Shendure担任西雅图合成生物学中心的首席科学主任。他还是华盛顿大学医学院Brotman Baty精准医学研究所和艾伦细胞谱系追踪研究所的科学主任。
该研究得到了西雅图合成生物学中心（涉及艾伦研究所、BioHub和华盛顿大学医学院的合作项目，CZIF2023-008738）；保罗·G·艾伦前沿集团的艾伦细胞谱系追踪发现中心；华盛顿大学医学院Brotman Baty精准医学研究所；华盛顿研究基金会；美国国立卫生研究院（R00HG012973和P30CA008748）；达蒙·鲁尼恩癌症研究基金会（DFS-64-24）；西尔学者奖（SSP-2025-101）；达特茅斯定量生物学中心（通过美国国立综合医学科学研究所资助，P20GM130454）；以及瑞士国家科学基金会（239394）的支持。